hệ thống điều khiển đcđk mô phỏng với bộ biến tần đa bậc

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ
SVTH: NGUYỄN AN THUẬN Trang 1
Chương 1
BỘ BIẾN TẦN
I.Tổng Quan
1.Khái niệm
Bộ biến tần dùng để chuyển đổi điện áp hoặc dòng điện xoay chiều ở đầu
vào từ một tần số này thành điện áp hoặc dòng điện có một tần số khác ở đầu ra.
Với một chức năng như vậy,bộ biến tần thường được sử dụng để điều
khiển vận tốc động cơ xoay chiều theo phương pháp điều khiển tần số,theo đó
tần số của lưới nguồn sẽ thay đổi thành tần số biến thiên.Ngoài việc thay đổi tần
số còn có sự thay đổi tổng số pha.Từ nguồn lưới một pha,với sự giúp đỡ của bộ
biến tần ta có thể mắc vào tải động cơ ba pha.Bộ biến tần còn được sử dụng rộng
rải trong kó thuật nhiệt điện.Bộ biến tần trong trường hợp này cung cấp năng
lượng cho lò cảm ứng.
2. Phân loại
a.Theo tổng số pha, có các bộ biến tần như sau:
- Một pha
- Ba pha
- m pha
b.Theo cấu trúc mạch điện, có các bộ biến tần:
- Bộ biến tần gián tiếp (mạch chứa khâu trung gian một chiều), trong đó
ta phân biệt biến tần dùng bộ nghòch lưu áp và biến tần dùng bộ nghòch
lưu dòng với quá trình chuyển mạch phụ thuộc mạch nguồn hoặc với
quá trình chuyển mạch cưỡng bức.
- Bộ biến tần trực tiếp (không chứa khâu trung gian một chiều).Nó có thể
hoạt động với quá trình chuyển mạch phụ thuộc bên ngoài,với tín hiệu
điều khiển có dạng hình thang hoặc dạng điều hoà.Ngoài ra, bộ biến
tần trực tiếp còn có thể hoạt động với quá trình chuyển mạch cưỡng
bức.
3. Bộ biến tần gián tiếp

Cấu tạo của bộ biến tần gián tiếp gồm có bộ chỉnh lưu với chức năng chỉnh
lưu điện áp xoay chiều với tần số cố đònh ở ngõ vào và bộ nghòch lưu thực hiện
việc chuyển đổi điện áp ( hoặc dòng điện) chỉnh lưu sang dạng áp hoặc dòng
xoay chiều ở ngõ ra.Bằng cấu trúc như trên, ta có thể điều khiển tần số đầu ra
một cách độc lập không phụ thuộc tần số vào.
Các bộ biến tần gián tiếp thường hoạt động với công suất khoảng từ vài
kW đến vài trăm kW.Phạm vi hoạt động của tần số khoảng vài phần chục Hz
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ
SVTH: NGUYỄN AN THUẬN Trang 2
đến vài trăm Hz.Công suất tối đa của chúng có thể lên đến vài trăm MW và tần
số tối đa khoảng vài chục kHz.
Cấu trúc mạch như sau:

Hình 1
a. Bộ chỉnh lưu
Có nhiều dạng khác nhau, mạch tia, mạch cầu một pha hoặc ba pha.Thông
thường ta gặp mạch cầu ba pha.Nếu như bộ chỉnh lưu một pha và bộ nghòch lưu
ba pha, bộ biến tần thực hiện cả chức năng bộ biến đổi tổng số pha.
b. Mạch trung gian một chiều
Có chứa tụ lọc với điện dung khá lớn C
f
( khoảng vài ngàn µF ) mắc vào
ngõ vào của bộ nghòch lưu.Điều này giúp cho mạch trung gian hoạt động như
nguồn điện áp.Tụ điện cùng với cuộn cảm L
f
của mạch trung gian tạo thành
mạch lọc nắn điện áp chỉnh lưu.Cuộn kháng L
f
có nhiệm vụ nắn dòng điện chỉnh
lưu.Trong nhiều trường hợp cuộng kháng L

f
không xuất hiện trong cấu trúc mạch
và tác dụng nắn dòng của nó có thể được thay thế bằng cảm kháng tản máy biến
áp cấp nguồn cho bộ chỉnh lưu.Do tác dụng của diod nghòch đảo bộ nghòch lưu,
điện áp đặt trên tụ chỉ có thể đạt những giá trò dương.Tụ điện còn thực hiện chức
năng trao đổi năng lượng ảo giữa tải của bộ nghòch lưu và mạch trung gian.
c. Bộ nghòch lưu áp
Có dạng một pha hoặc ba pha.Quá trình chuyển mạch của bộ nghòch lưu
áp thường là quá trình chuyển đổi cưỡng bức.Trong trường hợp đặc biệt, bộ
nghòch lưu làm việc không có quá trình chuyển mạch hoặc với quá trình chuyển
mạch phụ thuộc bên ngoài.Từ đó ta có hai trường hợp bộ biến tần với quá trình
chuyển mạch độc lập và quá trình chuyển mạch phụ thuộc bên ngoài.
Như vậy, bộ nghòch lưu có vai trò rất quan trọng trong bộ biến tần.Bằng
cách nghiên cứu phát triển bộ nghòch lưu chúng ta có thể có nhiều bộ biến tần tối
ưu hơn.Ngày nay,bộ nghòch lưu áp đa bậc ( Multi-level Voltage Source Inverter )
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ
SVTH: NGUYỄN AN THUẬN Trang 3
thường được sử dụng vì những ưu điểm vượt trội của nó.Những bộ biến tần sử
dụng bộ nghòch lưu áp đa bậc gọi tắc là biến tần đa bậc.
II. Bộ Nghòch Lưu p Đa Bậc
1. Giới Thiệu
a. Khái Niệm
Như đã biết, các bộ nghòch lưu chứa hai khoá bán dẫn trên mỗi nhánh pha
tải được gọi chung là nghòch lưu áp hai bậc ( two-level VSI ).Chúng được ứng
dụng rộng rãi trong phạm vi công suất vừa và nhỏ.Khái niệm hai bậc xuất phát
từ quá trình điện áp giữa đầu một pha tải đến một điểm điện thế chuẩn trên mạch
thay đổi giữa hai bậc giá trò khác nhau.Bộ nghòch lưu áp hai bậc có nhược điểm
là tạo điện áp cung cấp cho cuộn dây động cơ với độ dốc ( dv/dt ) khá lớn và gây
ra một số vấn đề khó khăn bởi tồn tại trạng thái khác zero của tổng điện thế từ
các pha đến tâm nguồn DC ( hiện tượng common-mode voltage ).Bộ nghòch lưu

áp đa bậc được phát triển để giải quyết các vấn đề gây ra nêu trên của bộ nghòch
lưu áp hai bậc và thường được sử dụng cho các ứng dụng điện áp cao và công
suất lớn.
b. Các Ưu Điểm
- Công suất của bộ nghòch lưu áp đa bậc là rất lớn.
- Điện áp đặt lên linh kiện bò giảm xuống nên công suất tổn hao do quá
trình đóng ngắt của linh kiện cũng giảm theo.
- Với cùng tần số đóng ngắt, các thành phần sóng hài bậc cao của điện
áp ra giảm nhỏ hơn so với trường hợp bộ nghòch lưu áp hai bậc.
2. Các Cấu Trúc Cơ Bản
a. Cấu trúc dạng Cascade ( cascade inverter )
Sử dụng các nguồn DC riêng, thích hợp trong trường hợp sử dụng nguồn
DC có sẵn, ví dụ dưới dạng acquy, battery.Cascade inverter gồm nhiều bộ
nghòch lưu áp cầu một pha ghép nối tiếp, các bộ nghòch lưu áp dạng cầu một pha
này có các nguồn DC riêng.
Bằng cách kích đóng các linh kiện trong mỗi bộ nghòch lưu áp một pha, ba
mức điện áp ( -U, 0, U ) được tạo thành.Sự kết hợp hoạt động của n bộ nghòch lưu
áp trên một nhánh pha tải sẽ tạo nên n khả năng mức điện áp theo chiều âm ( -U,
-2U, -3U, -4U,… nU ), n khả năng mức điện áp theo chiều dương ( U, 2U, 3U,
4U,…nU ) và mức điện áp 0.Như vậy, bộ nghòch lưu áp dạng cascade gồm n bộ
nghòch lưu áp một pha trên mỗi nhánh sẽ tạo thành bộ nghòch lưu ( 2n + 1 ) bậc.
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ
SVTH: NGUYỄN AN THUẬN Trang 4

Hình 2- Cascade inverter
Tần số đóng ngắt trong mỗi module của dạng mạch này có thể giảm đi n
lần và dv/dt cũng vậy.Điện áp trên áp đặt lên các linh kiện giảm đi 0,57 lần,Cho
phép sử dụng IJBT điện áp thấp.
b. Cấu Trúc Nghòch Lưu Chứa Cặp Diode kẹp ( Neutral Point Clamped
Multilevel Inverter – NPC )

Sử dụng thích hợp khi các nguồn DC tạo nên từ hệ thống điện AC.Bộ
nghòch lưu đa bậc chứa các cặp diode kèm có một mạch nguồn DC được phân
chia thành một số cấp điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các tụ điện mắc nối tiếp.
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ
SVTH: NGUYỄN AN THUẬN Trang 5


Hình 3- Cấu trúc diode kẹp
Giả sử nhánh mạch DC gồm n nguồn có độ lớn bằng nhau mắc nối
tiếp.Điện áp pha-nguồn DC có thể đạt được ( n+ 1 ) giá trò khác nhau và từ đó bộ
nghòch lưu được gọi là bộ nghòch lưu áp ( n+ 1 ) bậc.Ví dụ chọn mức điện thế 0 ở
cuối dãi nguồn, các mức điện áp có thể đạt được gồm ( 0, U, 2U, 3U,…nU ).Điện
áp từ một pha tải ( ví dụ pha a ) thông đến một vò trí bất kỳ trên ( ví dụ H ) nhờ
cặp diode kẹp tại điểm đó ( ví dụ D
1
, D
1
’
).Để điện áp pha-nguồn DC đạt được
mức điện áp nêu trên ( U
a0
= U ), tất cả các linh kiện bò kẹp giữa hai diode ( D
1
,
D
1
’
) – gồm n linh kiện măc71 nối tiếp liên tục kề nhau, phải được kích đóng, các
linh kiện còn lại phải được khoá theo nguyên tắc kích đối nghòch.Như hình vẽ
trên, tạo ra sáu mức điện áp pha – nguồn DC nên mạch lưu trên gọi là bộ nghòch

lưu sáu bậc.
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ
SVTH: NGUYỄN AN THUẬN Trang 6
Bộ nghòch lưu áp đa bậc dùng diode kẹp cải tiến dạng sóng điện áp tải và
giảm shock điện áp trên linh kiện n lần.Với bộ nghòch lưu ba bậc, dv/dt trên linh
kiện và tần số đóng cắt giảm đi một nửa.Tuy nhiên với n > 3, mức độ chòu gai áp
trên các diode sẽ khác nhau.Ngoài ra, cân bằng điện áp giữa các nguồn DC ( áp
trên tụ ) trở nên khó khăn, đặc biệt khi số bậc lớn.
3. Các Trạng Thái Đóng Ngắt
a. Tổng Quát
Xét bộ nghòch lưu áp n bậc dạng chứa cặp diode kẹp ( NPC ).Gọi U là độ
lớn điện áp trên mỗi tụ riêng lẻ.Phụ thuộc độ lớn điện áp pha-nguồn DC cần
thiết lập, các linh kiện bò kẹp giữa cặp diode nối đến một điện thế trên mạch DC
cần thiết lập sẽ ở trạng thái kích.Điện áp pha-tâm nguồn DC tính từ điểm đấu
dây của pha tải đến một điện thế trên mạch DC.
Trạng thái đóng ngắt của các khoá bán dẫn trên một nhánh tải của các pha
a, b, c phải thoả mãn điều kiện kích đối nghòch :

1SS
'
ajaj
=
+ ; 1SS
'
bjbj
=
+
; 1SS
'
cjcj

=
+
(1.1)
Với j = 1, 2, 3, …( n- 1 ).
Khi kích đóng ngắt các linh kiện theo đúng nguyên tắc trên ta có được giản đồ
xung kích cho các khoá.Tính toán tương tự bộ nghòch lưu áp ba pha hai bậc ta có
các điện áp pha tải : ( nếu tải Y )
3
uuu2
u
coboao
ta
−−
= ;
3
uuu2
u
coaobo
tb
−
−
= ;
3
uuu2
u
aoboco
tc
−−
= (1.2)
Và :

3
uuu
u
coboao
NO
++
= (1.3)
b. Trạng Thái Đóng Ngắt Bộ Nghòch Lưu p Ba Bậc
Xét bộ nghòch lưu áp ba bậc dạng chứa cặp diode kẹp như hình 4.Gọi U là
độ lớn điện áp trên mỗi tụ riêng lẻ phụ thuộc độ lớn điện áp pha.Các linh kiện
kẹp giữa cặp diode nối đến một điện thế trên mạch DC cần thiết lập sẽ ở trạng
thái kích.Điện áp pha-tâm nguồn DC đạt các giá trò cho trong bảng sau:
Với x = a, b, c
V
out
= V
xo
S
x2
S
x1
S
x2
’
S
x1
’
U 1 1 0 0
0 0 1 1 0
-U 0 0 1 1

Ta thấy có 3 mức điện áp ứng với 3 trạng thái đóng ngắt linh kiện cho mỗi
pha.Vậy, có 3
3
= 27 trạng thái đóng ngắt cho 3 pha.
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ
SVTH: NGUYỄN AN THUẬN Trang 7

Hình 4-Bộ nghòch lưu 3 bậc
c. Trạng Thái Đóng Ngắt Bộ Nghòch Lưu p Năm Bậc
Xét bộ nghòch lưu áp năm bậc dạng chứa cặp diode kẹp như hình 5.Gọi
U
dc
/4 là độ lớn điện áp trên mỗi tụ riêng lẻ.Chọn điểm tâm nguồn DC tại vò trí
giữa ( như hình 5 ).
Ta có bảng trạng thái đóng ngắt như sau:

V
out
= V
xo
S
x4
S
x3
S
x2
S
x1
S
x4

’
S
x3
’
S
x2
’
S
x1
’
U
dc
/2 1 1 1 1 0 0 0 0
U
dc
/4 0 1 1 1 1 0 0 0
0 0 0 1 1 1 1 0 0
-U
dc
/4 0 0 0 1 1 1 1 0
-U
dc
/2 0 0 0 0 1 1 1 1
Với x = a, b, c
Ta thấy có năm mức điện áp ra tương ứng với các trạng thái đóng ngắt.Vậy,có
tổng cộng 5 trạng thái đóng ngắt các linh kiện cho một pha, nên có 5
3
= 125
trạng thái đóng ngắt cho 3 pha.
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ

SVTH: NGUYỄN AN THUẬN Trang 8

Hình 5-Bộ nghòch lưu 5 bậc
4. Vector Không Gian Của Bộ Nghòch Lưu p Đa Bậc
a. Khái niệm vector không gian
Ta giả sử cho đại lượng 3 pha
cba
v,v,v cân bằng, thoả hệ thức:
0vvv
cba
=
+
+
(1.4)
Thực hiện phép biến hình từ các đại lượng ba pha
cba
v,v,v sang đại lượng
vector v
r
theo hệ thức :

)v.av.av.(kv
c
2
ba
+
+
=
r
(1.5)

Trong đó :
2
3
j
2
1
ea
3/2j
+−==
π
(1.6)
Phép biến hình thực hiện như trên được gọi là phép biến hình vector không gian
và đại lượng v
r
được gọi là vector không gian của đại lượng ba pha.
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ
SVTH: NGUYỄN AN THUẬN Trang 9
Hằng số k có thể chọn với các giá trò khác nhau.Với k = 2/3 ta có phép
biến hình không bảo toàn công suất.Với k =
3/2 phép biến hình bảo toàn công
suất.
Để minh hoạ cụ thể cho khái niệm này ta xét các đại lượng ba pha dạng
cosin như sau:

)
3
4
xcos(.Vv
)
3

2
xcos(.Vv
)xcos(.Vv
omc
omb
oma
π
−θ−=
π
−θ−=
θ
−
=
(1.7)
Vector không gian theo đònh nghóa sẽ là :

⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
π
−θ−+
π
−θ−+θ−= )
3
4
xcos(.V.a)
3

2
xcos(.V.a)xcos(.V
3
2
v
om
2
omom
r


[]
)x(j
moom
o
e.V)xsin(.
j
)xcos(Vv
θ−
=
θ
−
+θ−=
r

Như vậy, trong toạ độ vuông góc
β
−
α
, vector không gian v

r
có biên độ V
m
bắt
đầu từ vò trí
o
j
m
e.V
θ
sẽ quay quanh trục toạ độ với tần số góc ω.
b. Vector không gian của bộ nghòch lưu áp đa bậc
Quá trình đóng ngắt các linh kiện tạo ra điện áp ba pha tải.Theo lý thuyết
về không gian vector thì điện áp ba pha đó có thể biểu diễn dưới dạng vector
không gian.Và nó sẽ thay đổi nhảy cấp trên hình lục giác đa bậc.Vò trí của mỗi
vector điện áp trong không gian sẽ phụ thuộc vào các trạng thái đóng ngắt kinh
kiện.Tiến hành khảo sát cụ thể cho các bộ nghòch lưu ba và năm bậc để xác đònh
giản đồ vector không gian điện áp.
b.1. Giản đồ vector điện áp bộ nghòch lưu ba bậc:
Như đã biết, khả năng điều khiển kích dẫn linh kiện tạo nên 27 trạng thái
khác nhau.Ta xét mỗi trạng thái minh hoạ bởi tổ hợp ( k
a
k
b
k
c
) , với:
2,1,0k
2,1,0k
2,1,0k

c
b
a
=
=
=
(1.8)
Và k
a
, k
b
, k
c
là hệ số trạng thái tương ứng của các pha a, b, c.Các hệ số này phụ
thuộc vào cách quy ước trước, giả sử quy ước như sau: (sự quy ước này dựa vào
bảng trạng thái đóng ngắt )

⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
==
==
==
=
1SS2
1SS1
1SS:khi0
k

2a1a
'
2a1a
'
2a
'
1a
a
(1.9)
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ
SVTH: NGUYỄN AN THUẬN Trang 10

⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
==
==
==
=
1SS2
1SS1
1SS:khi0
k
2b1b
'
2b1b
'
2b

'
1b
b
;
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
==
==
==
=
1SS2
1SS1
1SS:khi0
k
2c1c
'
2c1c
'
2c
'
1c
c

Trong quá trình kích, quy luật đóng ngắt đối nghòch phải tuân thủ:

1SS
1SS

'
1x1x
'
2x2x
=+
=+
(1.10)
Với x = a, b, c.
Ví dụ như : Trạng thái (000) là
1SS
'
2a
'
1a
=
=
; 1SS
'
2b
'
1b
=
=
; 1SS
'
2c
'
1c
==
Trạng thái (200) là 1SS

2a1a
=
=
; 1SS
'
2b
'
1b
=
=
; 1SS
'
2c
'
1c
==
Theo đònh nghóa vector không gian, tương ứng 27 trạng thái kích dẫn linh
kiện ta thu được 19 vò trí vector không gian của vector điện áp tạo thành, bao
gồm 12 vector nằm trên đỉnh và trung điểm của hình lục giác lớn bao ngoài, sáu
vector điện áp nằm trên 6 đỉnh của hình lục giác bên trong và vector không tại
tâm của hình lục giác ( hình 6 ).Đối với các vector nằm tại đỉnh các hình lục giác
bên trong, tồn tại hai trạng thái kích dẫn khác nhau của linh kiện nhưng lại có
cùng chung vò trí vector không gian.Ngoài ra, tồn tại ba trạng thái kích dẫn khác
nhau cho cùng vò trí vector không.
200
210
220
120
020
021

022
012
002
102
202
201
000
111
222
211
100
221
110
121
010
122
011
112
001
101
212
α
β

Hình 6- Giản đồ vector điện áp bộ nghòch lưu áp 3 bậc
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ
SVTH: NGUYỄN AN THUẬN Trang 11

b.2. Giản đồ vector điện áp bộ nghòch lưu năm bậc :
Với bộ nghòch lưu năm bậc, khả năng điều khiển kích dẫn linh kiện tạo

nên 125 trạng thái khác nhau.Ta xét mỗi trạng thái minh hoạ bởi tổ hợp ( k
a
k
b
k
c

) , với:
2,1,0,1,2k
2,1,0,1,2k
2,1,0,1,2k
c
b
a
−−=
−−=
−
−
=
(1.11)
Các hệ số trạng thái k
a
, k
b
, k
c
phụ thuộc vào cách quy ước trước.Ta tiến hành quy
ước như sau: ( sự quy ước này dựa vào bảng trạng thái đóng ngắt )

⎪

⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
====−
====−
====
====
====
=
1SSSS2
1SSSS1
1SSSS0
1SSSS1
1SSSS:khi2
k
'
4a
'
3a
'
2a
'
1a
'
4a

'
3a
'
2a1a
'
4a
'
3a2a1a
'
4a3a2a1a
4a3a2a1a
a



⎪
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
====−
====−
====
====
====
=

1SSSS2
1SSSS1
1SSSS0
1SSSS1
1SSSS:khi2
k
'
4b
'
3b
'
2b
'
1b
'
4b
'
3b
'
2b1b
'
4b
'
3b2b1b
'
4b3b2b1b
4b3b2b1b
b
(1.12)

⎪
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
====−
====−
====
====
====
=
1SSSS2
1SSSS1
1SSSS0
1SSSS1
1SSSS:khi2
k
'
4c
'
3c
'
2c
'
1c
'

4c
'
3c
'
2c1c
'
4c
'
3c2c1c
'
4c3c2c1c
4c3c2c1c
c

Trong quá trình kích, quy luật đóng ngắt đối nghòch phải tuân thủ:


1SS
1SS
'
2x2x
'
1x1x
=+
=+
;
1SS
1SS
'
4x4x

'
3x3x
=+
=+
(1.13)
Với x = a, b, c.

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ
SVTH: NGUYỄN AN THUẬN Trang 12
Theo đònh nghóa vector không gian, tương ứng 125 trạng thái kích dẫn linh
kiện ta thu được 61 vò trí vector không gian của vector điện áp tạo thành.Tại tâm
của lục giác có năm trạng thái khác nhau cho cùng vò trí tại đó là vector
không.Các vò trí còn lại ứng với các trạng thái được biểu diễn trong giản đồ
vector hình 7.

200
210
220
120
020
021
022
012
002
102
202
201
000
111
222

211
100
221
110
121
010
122
011
112
001
101
212
α
β
-1-1-1
-2-2-2
01-1
-1-2-2
00-1
-1-1-2
-10-1
-2-1-2
100
-2-1-1
-1-10
-2-2-1
-1-2-1
0-10
-111
-200

-110
-20-1
-20-2
-11-1
-10-2
01-1
11-1
00-2
0-1-2
10-1
111
0-2-2
0-2-1
1-10
0-20
1-11
-1-20
0-11
-1-11
-2-20
-210
-101
-1-21
0-12
0-21
1-12
1-21
2-12
2-11
1-20

-2-21
-1-12
-2-11
-102
-201
-112
-211
-122
-210
-121
-120
-21-1
-21-2
-12-1
-11-2
02-1
12-1
01-2
11-2
22-1
10-2
21-1
1-1-2
20-1
1-2-2
2-1-1
1-2-1
2-10
2-2-2
2-1-2

20-2
21-2
22-2
12-2
02-2
-12-2
-22-2
-22-1
-220
-221
-222
-212
-202
-2-12
-2-22
-1-22
0-22
1-22
2-22
2-21
2-20
2-2-1

Hình 7-Giản đồ vector điện áp Bộ nghòch lưu năm bậc

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ
SVTH: NGUYỄN AN THUẬN Trang 13
Chương 2
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC
I. Giới Thiệu

Các phương pháp điều khiển áp dụng cho bộ nghòch lưu áp hai bậc như
phương pháp điều chế độ rộng xung và các dạng cải biến của nó, phương pháp
điều khiển vector, phương pháp khử sóng hài tối ưu, các phương pháp điều
khiển dòng điện ,…có thể được điều chỉnh để áp dụng cho bộ nghòch lưu áp đa
bậc.Bộ nghòch lưu áp đa bậc có phạm vi hoạt động chủ yếu đối với tải công suất
lớn.Do đó vấn đề giảm bớt tần số đóng ngắt và giảm shock điện áp trên linh kiện
công suất có ý nghóa quan trọng.Các thuật toán cố gắn thực hiện duy trì trạng
thái cân bằng các nguồn điện áp DC và khử bỏ hiện tượng common – mode
voltage, nguyên nhân gây ra một số hiện tượng làm sớm lão hoá động cơ.
Do giới hạn của đề tài nên phần dưới đây chỉ mô phỏng cho ba phương
pháp điều khiển.Trong đó có giới thiệu phương pháp mới đó là phương pháp điều
chế sóng mang dựa trên cơ sở lý thuyết phân tích tương quan giữa không gian
vector PWM và sóng mang đơn cực PWM.Các phương pháp như sau:
- Phương pháp điều chế độ rộng xung ( SH-PWM )
- Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến ( Modified PWM ).
- Phương pháp SVPWM – Carrier Based PWM
II. Phương Pháp Điều Chế Độ Rộng Xung
Phương pháp còn có tên Subharmonic PWM (SH-PWM), Multilevel
carrier based PWM.Để thực hiện tạo giản đồ kích đóng các linh kiện trong cùng

một pha tải, ta sử dụng một số sóng mang (dạng tam giác) và một tín hiệu điều
khiển (dạng sin).Đối với bộ nghòch lưu áp n bậc, số sống mang được sử dụng là
(n-1).Chúng có cùng tần số f
c
và cùng biên độ đỉnh – đỉnh A
c
.Sóng điều chế (hay
sóng điều khiển) có biên độ đỉnh bằng A
m
và tần số f
m
, dạng sóng của nó thay
đổi chung quanh trục tâm của hệ thống ( n-1) sóng mang.Nếu sóng điều khiển
lớn hơn sóng mang nào đó thì linh kiện tương ứng sóng mang đó sẽ được kích
đóng, trong trường hợp sóng điều khiển nhỏ hơn sóng mang tương ứng của nó,
linh kiện trên sẽ bò khoá kích.
Đối với bộ nghòch lưu áp đa bậc, chỉ số biên độ m
a
và chỉ số tần số m
f
được
đònh nghóa như sau:

(2.1)

m
c
f
c
m

a
f
f
m
An
A
m
=
−
=
).1(
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ
SVTH: NGUYỄN AN THUẬN Trang 14
Tiến hành mô phỏng cho bộ nghòch lưu áp ba bậc và năm bậc.Dùng phần
mềm Psim mô phỏng cho bộ nghòch lưu áp dạng diode kềm.
1. Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật điều chế PWM
Các sóng mang dạng tam giác có tần số cao.Có thể chia thành ba loại như
sau:
a.
Bố trí cùng pha (PD: In Phase Disposition) : Tất cả các sóng mang đều
cùng pha nhau.

Hình 8-Dạng sóng PD
b.
Hai sóng mang kế cận liên tiếp nhau sẽ bò dòch 180 độ –gọi là APOD (
Alternative Phase Opposition Disposition )

Hình 9-Dạng sóng APOD
c.
Bố trí đối xứng qua trục zero (POD – Phase opposition Disposition).Tất cả

các sóng mang nằm trên trục 0 sẽ cùng pha nhau và tất cả các sóng mang
nằm dưới trục 0 sẽ dòch đi 180 độ.
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ
SVTH: NGUYỄN AN THUẬN Trang 15

Hình 10-Dạng sóng POD
Trong các phương pháp bố trí sóng mang, phương pháp bố trí các sóng
mang đa bậc cùng pha cho độ méo dạng áp dây nhỏ nhất.Riêng đối với bộ
nghòch lưu áp 3 bậc, phương pháp POD và APOD cho cùng kết quả.
2. Mô phỏng bộ nghòch lưu áp ba bậc
2.1 Phân tích tạo xung kích:
Xét bộ nghòch lưu áp 3 bậc có diode kềm như hình 11


Hình 11
Chỉ cần phân tích một trong 3 pha mà thôi.Chẳng hạn,xét pha a Xung kích
cho các linh kiện S
a1
, S
a2
, S
a3
, S
a4
được thiết lập trên cơ sở so sánh sóng điều
khiển u
ra
của pha a với sóng mang u
p1
( đối với xung kích cho cặp S

a1
và S
a3
) và
u
p2
( đối với xung kích cho cặp S
a2
và S
a4
).Cụ thể là :
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ
SVTH: NGUYỄN AN THUẬN Trang 16

)1S;0S(uu
)0S;1S(uu
)1S;0S(uu
)0S;1S(uu
4a2a2pra
4a2a2pra
3a1a1pra
3a1a1pra
==⇒<
==⇒>
==⇒<
=
=
⇒>
(2.2)
Từ giản đồ thiết lập trên, điện áp pha – tâm nguồn DC được xác đònh :

⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
==−
==
=
=
=
)1SS(2/U
)1SS(0
)1SS(2
/
U
u
4a3a
3a2a
2a1a
ao
(2.3)
Như vậy hoàn toàn xác đònh được điện áp pha – tâm nguồn DC.Từ đó có thể dễ
dàng tính được các điện áp pha tải như đã trình bày ở công thức (1.2).
2.2 Mô Phỏng
Sơ đồ mô phỏng như hình vẽ.Trong đó điện áp điều khiển được cung cấp
bởi nguồn ba pha sin với tần số và biên độ xác đònh( trong mô phỏng này lấy tần
số 50Hz và tỉ số điều chế m=0.7 ).Các điện áp sin đó so sánh với hai sóng mang
tam giác với tần số 1000Hz dạng PD.Nguồn động lực DC có điện áp 500V.Các
khoá bán dẫn IGBT và tải RL với thông số : R=1Ω và L=0.02H.Còn lại trên sơ
đồ là các đồng hồ đo.

Hình 12 - Mô phỏng Bộ Biến Tần 3_level Phương Pháp SH-PWM
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ
SVTH: NGUYỄN AN THUẬN Trang 17
Các kết quả thu được như sau:

Hình 13 – Dòng tải pha A

Hình 14 – Dòng Tải pha B

Hình 15 – Dòng Tải pha C

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ
SVTH: NGUYỄN AN THUẬN Trang 18


Hình 16 – Điện áp điều khiển 3 pha

Hình 17 – Dòng tải 3 pha

Hình 18 – Sóng mang tam giác dạng PD

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ
SVTH: NGUYỄN AN THUẬN Trang 19


Hình 19 – Điện áp tải pha A

Hình 20 – Điện áp tải pha B

Hình 21 – Điện áp tải pha C

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ
SVTH: NGUYỄN AN THUẬN Trang 20


Hình 22 – Điện áp pha-Tâm nguồn DC pha A

Hình 23 – Điện áp pha-Tâm nguồn DC pha B

Hình 24 – Điện áp pha -Tâm nguồn DC pha C

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ
SVTH: NGUYỄN AN THUẬN Trang 21
3. Mô Phỏng Bộ Nghòch Lưu ÁP 5 Bậc:
3.1 Phân tích tạo xung kích

Hình 25 – Bộ nghòch lưu áp 5_level Dạng có Diod kềm
Chỉ cần phân tích một trong 3 pha mà thôi.Chẳng hạn,xét pha a xung kích
cho các linh kiện S
1
, S
2
, S
3
, S
4
, S
1
’

, S
2
’
, S
3
’
, S
4
’
được thiết lập trên cơ sở so sánh
sóng điều khiển u
ra
của pha a với sóng mang u
p1
( đối với xung kích cho cặp S
1

và S
1
’
), u
p2
( đối với xung kích cho cặp S
2
và S
2
’
), u
p3
( đối với xung kích cho cập

S
3
và S
3
’
), u
p4
( đối với xung kích cho cập S
4
và S
4
’
) .Cụ thể là :

)1;0(
)0;1(
)1;0(
)0;1(
'
222
'
222
'
111
'
111
==⇒<
==⇒>
==⇒<
==⇒>

SSuu
SSuu
SSuu
SSuu
pra
pra
pra
pra



LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ
SVTH: NGUYỄN AN THUẬN Trang 22

)1;0(
)0;1(
)1;0(
)0;1(
'
444
'
444
'
333
'
333
==⇒<
==⇒>
==⇒<
==⇒>

SSuu
SSuu
SSuu
SSuu
pra
pra
pra
pra
(2.4)
Từ giản đồ thiết lập trên, điện áp pha – tâm nguồn DC được xác đònh :
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
−
−
=
2/
4/
0
4/
2/
U
U
U

U
u
ao
(2.5)
Như vậy hoàn toàn xác đònh được điện áp pha – tâm nguồn DC.Từ đó có thể dễ
dàng tính được các điện áp pha tải như đã trình bày ở công thức (1.2).
3.2 Mô Ph
ỏng
Sơ đồ mô phỏng như hình vẽ ( b
ảng vẽ A3 ).Trong đó điện áp điều khiển
được cung cấp bởi nguồn ba pha sin, trong mô phỏng này lấy tần số 50Hz và tỉ số
điều chế m=0.7.Các điện áp sin đó so sánh với b
ốn sóng mang tam giác với tần
số 1000Hz dạng PD.Nguồn động lực DC có điện áp 500V.Các khoá bán dẫn
IGBT và tải RL với thông số : R=1Ω và L=0.02H.Còn lại trên sơ đồ là các đồng
hồ đo.Ta thấy rằng đã phải sử dụng bốn cổng so sánh cho mỗi pha để tạo ra tám
xung kích cho tám khoá S mỗi pha.
Với những kết quả phía dưới và so sánh với các dạng sóng phần mô phỏng
ba bậc có nhận xét sau:
- Điện áp ra ở bộ nghòch lưu đa bậc ít méo dạng hơn mộ nghòch lưu áp 2
bậc.Với bô nghòch lưu 5 bậc cho áp ra ít méo dạng hơn.
- Sóng hài bậc cao vẫn tồn tại.Với tần số sóng mang lớn hơn thì sóng hài
này có giảm chút ít.
- Dạng áp ra tải của bộ nghòch lưu áp 5 bậc gần sin hơn nghòch lưu áp 3
bậc.
- Rõ ràng điện áp pha – tâm nguồn DC của từng bộ là khác nhau.Với bộ
nchòch lưu áp 5 bậc thì có 5 mức điện áp còn với bộ 3 bậc chỉ có 3 mức
mà thôi.
- Đoạn đầu của dòng tải méo dạng lớn là do quá độ, chưa xác lập.

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ
SVTH: NGUYỄN AN THUẬN Trang 23

Hình 26 – Dòng tải pha A

Hình 27 – Dòng tải pha B

Hình 28 – Dòng tải pha C


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ
SVTH: NGUYỄN AN THUẬN Trang 24

Hình 29 – Điện áp điều khiển ba pha dạng sin

Hình 30 – Dòng tải ba pha

Hình 31 – Sóng mang tam giác dạng PD


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ
SVTH: NGUYỄN AN THUẬN Trang 25

Hình 32 – Điện áp tải pha A

Hình 33 – Điện áp tải pha B

Hình 34 – Điện áp tải pha C